ein Mikrocontroller soll ein 38 kHz Signal über einen Meter Kabel übertragen und damit einen Verbraucher (R1 = 12 Ohm) über einen MOSFET steuern. Ich habe in LTSpice jetzt den Widerstand und die Induktivität des Kabels simuliert.
Das Kabel hat 3 Leitungen: VCC, GND und Sig.
Jetzt habe ich drei Anliegen:
Mich wundert es zunächst, warum ich so ein krasses Ringing am Ende des Kabels bekomme und ich frage mich, was ich dagegen tun kann.
Ich möchte einen Pufferkondensator am Ende des Kabels verwenden. Meine Überlegung: Der Pufferkondensator sollte die Flanken des Stroms etwas glätten, damit über das Kabel nicht ein Strom mit so steilen Flanken fließt (wegen EMV). Ist diese Überlegung / dieses Vorgehen grundsätzlich richtig?
Wenn der Pufferkondensator verwendet wird, habe ich im Moment keine Möglichkeit vorgesehen, um den Strom, der beim ersten Aufladen durch den Kondensator fließt, zu begrenzen. Ich finde in den Datenblättern von den Kondensatoren keine Angaben zur maximalen Verlustleistung. Woher weiß ich, dass der Kondensator nicht abraucht? Was ist hier Stand der Technik? Welche Möglichkeiten gibt es für einen "Soft-Start"?
Mich wundert es zunächst, warum ich so ein krasses Ringing am Ende
des Kabels bekomme und ich frage mich, was ich dagegen tun kann.
Dein Signal trifft am Gate auf die Gatekapazität. Die bildet zusammen mit L2 einen Serienschwingkreis und der tut, was sein Name verheißt. Ein Serienwiderstand zur Dämpfung würde deutlich helfen.
Mich wundert es zunächst, warum ich so ein krasses Ringing am Ende
des Kabels bekomme und ich frage mich, was ich dagegen tun kann.
Terminierung aka richtiger Kabelabschluss
Ich möchte einen Pufferkondensator am Ende des Kabels verwenden.
Meine Überlegung: Der Pufferkondensator sollte die Flanken des Stroms
etwas glätten, damit über das Kabel nicht ein Strom mit so steilen
Flanken fließt (wegen EMV). Ist diese Überlegung / dieses Vorgehen
grundsätzlich richtig?
Die AdHoc Methode zum Kantenglätten zur Verbessrung EMV ist eine andere, Serienwiderstand so um die 10 .. 30 Ohm
Wenn der Pufferkondensator verwendet wird, habe ich im Moment keine
Möglichkeit vorgesehen, um den Strom, der beim ersten Aufladen durch den
Kondensator fließt, zu begrenzen.
Ich finde in den Datenblättern von den
Kondensatoren keine Angaben zur maximalen Verlustleistung.
Siehe Antwort zu 2.. Und C werden eher durch zu hohe Spannung gegrillt als durch zu schnelles Aufladen, weil Lades-/Entladestromeh eh mit der Zeit kleiner wird.
Ehrlich, keine Ausbildung gehabt? Sowas sind doch Grundlagen Elektrotechnik, das sollte man doch aus dem (Technik-)Gymnasium kennen?!.
Ich möchte einen Pufferkondensator am Ende des Kabels verwenden
Wirfst du auch Betonklötze an Ankerketten aus dem Auto um langsamer zu fahren an statt einfach weniger Gas zu geben ?
Deine Simulation ist stark unvollständig. Das beginnt bei der Signalquelle, geht über das Kabel und betrifft den Leitungsabschluss, daher ist den Ergebnissen nicht zu trauen.
38kHz ist gering gegenüber der Leitungslänge.
Du könnest das Signal also ruhig ausklinge(l)n lassen, jedoch stört das Ausklingeln den MOSFET und das EMV Verhalten.
Also geringere Flankensteilheit und Schutzdioden nach plus und Masse, und den Pufferkondensator am Ziel zwischen plus und Masse, nicht Signal und Masse.
Dich interessiert doch das Signal an R1 oder nicht? Dann miss doch mal die Spannung über R1!
Das was du zeigst ist doch so wie wenn man den Masseclip eines Tastkopfes möglichst weit weg vom Messpunkt anklemmt ...
Außerdem hat eine Leitung wenig mit einer einfachen Reihenschaltung von L und R zu tun.
Außerdem hat eine Leitung wenig mit einer einfachen Reihenschaltung von
L und R zu tun.
So isses. Meine Leitungen haben neben einem Ohmschen Widerstand
(genau genommen Widerstandsbelag und Ableitungsbelag) noch einen
Induktiviäts- und einen Kapazitätsbelag. Einfach mal
bisschen lernen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Leitungstheorie
Die Simulation ist unvollständig, keinerlei verteilte Kapazitäten, die fehlende magnetische Kopplung der "Einzelinduktivitäten" und am Schluss will er "viel mehr Leistung".
Als Lern-Selbstzweck, das Werkzeug "Schaltungssimulation" selbst zu erlernen, ganz nett, real wäre ein Versuchsaufbau vielleicht zielführender.
Warum machst du diese Leistungsstufe nicht direkt an der
Ansteuerelektronik und führst dann das verstärkte Signal über verdrillte
Leitungen zur Last?
Also, so wie ich das verstanden habe, ist es EMV-technisch besser, wenn man Signale mit geringen Strömen "transportiert". D.h. ich würde nur das Signal mit 38 kHz durch die Leitung schicken und der 220 uF Kondensator an dem anderen Ende dient quasi als lokale Spannungsquelle und stellt etwas des benötigten Stroms zur Verfügung, sodass über VCC kein Rechtecksignal mehr fließen muss (um den Strom bereitzustellen), sondern, dass dieses Signal abgerundet ist, was dann besser für EMV sein sollte.
warum schreibst du in Rätzeln. Was soll das für ein 12 Ohm Verbraucher
sein und warum muss man den mit 38 kHz ansteuern?
Dein Kondensator wird wahrscheinlich viel zu lahm sein für 38 kHz, was
hast du da für einen Typen eingesetzt?
Ich versuche die Fragestellung immer auf das Wesentliche herunterzubrechen. Wenn die grundlegenden Fragen geklärt sind, stelle ich auch gerne spezifischere Fragen mit einer komplexeren Schaltung.
Ich möchte einen Pufferkondensator am Ende des Kabels verwenden
Wirfst du auch Betonklötze an Ankerketten aus dem Auto um langsamer zu
fahren an statt einfach weniger Gas zu geben ?
Hm, also ein Serienwiderstand am Gate reduziert die Flankensteilheit und verringert das Ringing. Das ist schonmal gut. Aber die Reduktion der Flankensteilheit ist m.E. vernachlässigbar, denn der MOSFET hat einen sehr schmalen linearen Bereich. D.h. wenn ich die Flankensteilheit von 10 ns auf 25 ns erhöhe (am Gate), kann der MOSFET trotzdem schneller schalten, wenn er z.B. schon ab 2 V voll durchschaltet.
Anyway, ein Serienwiderstand würde das elektrische Feld verringern, da das Steuersignal ein Signal mit geringem Strom ist. So habe ich das zumindest verstanden. Wenn jetzt aber der Strom über VCC fließen muss, um den Verbraucher zu versorgen, fließt hier ein 38 kHz Signal mit hohem Strom. Das betrifft dann das magnetische Feld. Um das magnetische Feld zu verringern, möchte ich den Pufferkondensator verwenden.
Der Serienwiderstand mit 10 Ohm oder so wäre doch der
Abschlusswiderstand, oder?
Nein, über Leitungstherorie kann man auch sprechen, aber da muss ein Serienwiderstand an die Quelle! Zumindest in der Simulation sind wir nicht bei einer echten Leitungsnachbildung, wenn man ein L und ein R als diskretes BE verwendet. Leitungsbeläge sind infinitesimal klein und über die Länge verteilt, das lässt sich nicht mit einzelnen Komponenten nachbilden.
Ein quellseitiger Serienwiderstand wird auch helfen, da muss man aber auch über den Wellenwiderstand des Leitungsstücks Kenntnis haben. Und da spielt die Anordnung, Geometrie, eine wesentliche Rolle.
Die 10-30Ω sollen die Wechselwirkung von dem diskreten L und der Gatekapazität bedämpfen.
Ich fürchte, die Simulation ist sowieso weit weg von der Realität. Jemand hat oben den realen Aufbau vorgeschlagen - da bin ich mit ihm!
Ah jetzt habe ich es verstanden. Hab die Masse in LTSpice jetzt mal an S
des MOSFETS gesetzt. Sieht aber auch nicht viel besser aus.
Das war ja zunächst mal geraten. Dann nimm noch den diskutierten Gatewiderstand hinzu, ich empfehle 22Ω.
Wäre übrigens ganz sinnvoll gewesen, wenn du den LTSpice File gleich anfangs mit angehängt hättest. Dann hätte ich nicht geraten sondern in der Simulation geschaut, wo man am besten eingreift.
Der Serienwiderstand mit 10 Ohm oder so wäre doch der
Abschlusswiderstand, oder?
Wenn die Schwingungen durch Reflektion am Kabelende, d.h. fehlenden Leitungsabschluss verursacht würden, müsste die Frequenz entsprechend der Leitungslänge erheblich höher sein.
Also vielen Dank für die hilfreichen Antworten. Mich hatte das Ringing irritiert. Ein Serienwiderstand hat das Problem (in der Simulation) behoben. Hier kann ich locker 100 Ohm nehmen, bei 38 kHz brauche ich keine hohe Flankensteilheit.
Noch als Hintergrund zur EMV: Ich hatte die Schaltung mit Serienwiderstand (30 Ohm) und Kondensator (10 nF) für die EMV-Prüfung aufgebaut. Die Schaltung hat die Prüfung bestanden, deshalb wollte ich jetzt experimentieren, den Serienwiderstand wegzulassen. Mir war nicht bewusst, dass der fehlende Serienwiderstand zum Ringing führt, das hat mich einfach irritiert.
So, nachdem das Problem mit dem Ringing geklärt ist, kann ich zu meiner eigentlichen Frage kommen...
Der Pufferkondensator soll einen Teil des Stromes liefern, damit der Strom für das 38 kHz Signal nicht mit steilen Flanken über die (lange) Leitung fließen muss. In der Simulation scheint das so zu funktionieren, wie ich mir das vorstelle.
Ich habe die Simulation einmal mit und einmal ohne den 220 uF Kondensator durchgeführt. Man sieht (zumindest in der Simulation), dass der Kondensator einen Großteil des benötigten Stroms bereitstellt und weniger Strom über R2 zurückfließen muss. Dann kann man m.E. auch einen Querschnitt von 0,14 mm^2 für das Kabel nehmen, ohne mit größeren Verlusten rechnen zu müssen.
Stimmt ihr mir hier zu, dass das ein gutes Vorgehen ist?
Wenn die Schwingungen durch Reflektion am Kabelende,
Die Simulation weiß nichts von Reflexionen, es sind keine Z-Leitungen eingebaut! Reflexionen gibt es erst, wenn durch eine Leitung auch eine Laufzeit nachgebildet wird.
Das ist alleine das L und die Gatekapazität.
Stimmt ihr mir hier zu, dass das ein gutes Vorgehen ist?
Ja.
Jedoch deckt die Simulation nicht das Verhalten des Leitungseinflusses ab, wie ich oben schon erwähnte.
Der Kondensator ist sowieso sinnvoll. Entsprechend dem mittleren Strom ist er auch nicht zu groß gewählt. Es ist letztlich ein Blockkondensator.
Den Leitungsquerschnitt hatte ich oben schon kommentiert, m.E. kann man den so lassen - letztlich musst du entscheiden, wie viel von den 3V am Verbraucher fehlen dürfen. Es waren nach meiner Rechnung ca. 70mV. Das ist entscheidend! Eine Verlustleistung, die zum Erwärmen der Leitung führt ist hier weit weg.
Stimmt ihr mir hier zu, dass das ein gutes Vorgehen ist?
Ja.
Jedoch deckt die Simulation nicht das Verhalten des Leitungseinflusses
ab, wie ich oben schon erwähnte.
Der Kondensator ist sowieso sinnvoll. Entsprechend dem mittleren Strom
ist er auch nicht zu groß gewählt. Es ist letztlich ein
Blockkondensator.
Den Leitungsquerschnitt hatte ich oben schon kommentiert, m.E. kann man
den so lassen - letztlich musst du entscheiden, wie viel von den 3V am
Verbraucher fehlen dürfen. Es waren nach meiner Rechnung ca. 70mV. Das
ist entscheidend! Eine Verlustleistung, die zum Erwärmen der Leitung
führt ist hier weit weg.
3 Also jetzt wird es etwas komplizierter. Ich habe hier einen Teil meiner Schaltung angehängt. Von der Batterie wird auch ein Mikrocontroller versorgt, der das Signal IR1 (38 kHz) erzeugt. ASML050 ist eine selbstrückstellende Sicherung mit I_hold = 500 mA und I_trip = 1 A. Die Sicherung habe ich vorgesehen, falls mal irgendwo ein Kabel abgeht oder sowas. Einfach zur Sicherheit.
Der NCP161 erzeugt 3 V und kann vom Mikrocontroller abgeschaltet werden (der Mikrocontroller hängt an derselben Batterie aber wird von einem anderen Spannungsregler versorgt). Hier ist nur eine LED mit dem NCP161 Verbunden, allerdings gibt es in der vollständigen Schaltung mehrere Komponenten, die da noch mit dran hängen. Wenn ich ihn abschalte, verbrauchen diese Komponenten keinen Strom mehr und die Batterie hält länger.
Jetzt habe ich folgendes Problem: Wenn ich den NCP161 einschalte, entsteht ein hoher Strompuls, da der Kondensator auf der anderen Seite des Kabels plötzlich aufgeladen wird. Der Strom ist hier nicht wirklich begrenzt. Der NCP161 kann bis zu 1,75 A liefern. Da plötzlich ein so hoher Strom fließt, löst die Sicherung (ASML050) aus und der Mikrocontroller geht in den Reset.
Erstaunlich hier ist, dass die meisten Schaltungen ohne Probleme laufen. Das Problem ist erst nach einigen Wochen Benutzung aufgetreten. Deshalb habe ich mich gefragt, ob der Kondensator mit der Zeit vielleicht beschädigt wird und dann beim Aufladen einen höheren Strom zulässt.
Meine Überlegungen:
Man könnte einen Widerstand neben den Kondensator setzen, damit sich dieser langsamer auflädt (aber auch langsamer entlädt). Eigentlich verwerfe ich diesen Ansatz sofort, da der Kondensator ja niederohmig angebunden sein sollte.
Ich könnte eine Sicherung mit einem höheren Strom nehmen. Hier frage ich mich aber, ob das wirklich notwendig ist, nur wegen des Kondensators.
Ich könnte einen Spannungsregler verwenden, der einen niedrigeren Maximalstrom hat, sodass ich nie über I_trip der Sicherung kommen kann.
Mache einfach den Kondensator deutlich kleiner und setze noch einen Widerstand zur Lade-Strombegrenzung des Kondensators rein.
Da Dutycycle und Frequenz in dieser Anwendung ja definiert sind und eine IR-LED auch ruhig etwas "spitz" bestromt werden darf, reicht dir 1uF aus.
So kommt du auf max. ca 150mA inrush current.
PS: Solche Fragestellungen, die sich zäh und "scheibchenweise" dem eigentlichen Problem annähern sind etwas unbeliebt, da man sich einige Gedanken sparen könnte, wenn man von Anfang an gewusst hätte worum es geht.
Du kannst auch mal eine Spule in Reihe zum Akku/Sicherung probieren.
Deine Varianten sind alle möglich; bei 1) würden ein paar wenige Ohm schon reichen, 2) ist am Einfachsten.
3) ist imho noch besser: dann kannst du evtl. die Sicherung ganz weglassen.
Die Simulation weiß nichts von Reflexionen, es sind keine Z-Leitungen
eingebaut! Reflexionen gibt es erst, wenn durch eine Leitung auch eine
Laufzeit nachgebildet wird.
Eben - die Klingelei kann nichts mit fehlendem Leitungsabschluss zu tun haben.
Hm, also ein Serienwiderstand am Gate reduziert die Flankensteilheit
Nein.
Doch schon, wenn er direkt am Gate hängt bildet er zusammen mit der Gatekapazität einen Tiefpass. Da geht es dann nicht mehr um terminierte Leitungen.
Die Flankensteilheit limitiert tunlichst schon dein Sender.
Idealerweise. Allerdings: ein Ausgang mit nachgeschaltetem RC-Glied ist auch ganz falsch: Alles vom Ende Reflektierte trifft dann vorne auf einen (AC-)Kurzschluss ...
Jetzt habe ich folgendes Problem: Wenn ich den NCP161 einschalte,
entsteht ein hoher Strompuls, da der Kondensator auf der anderen Seite
des Kabels plötzlich aufgeladen wird. Der Strom ist hier nicht wirklich
begrenzt. Der NCP161 kann bis zu 1,75 A liefern. Da plötzlich ein so
hoher Strom fließt, löst die Sicherung (ASML050) aus und der
Mikrocontroller geht in den Reset.
Wenn der µC auch mit z.B. 2,5V klar kommt (und der Mosfet bezüglich Gatespannung auch), dann schleife in dessen Versorgungsleitung eine Schottky-Diode ein, und puffere danach dessen Versorgung mit einem ausreichenden C, der die Spannung für die Zeit des Spannungseinbruchs aufrecht erhält.
Vielen Dank für die vielen hilfreichen Antworten! Ich hab wieder viel gelernt. Ich werde es mal mit einem anderen Spannungsregler (mit einem geringeren Maximalstrom probieren), vielleicht löst es das Problem schon.
Du könntest einen Widerstand zwischen NCP161 und 220uF setzen, der für den MITTLEREN Strom durch die LED keinen wichtigen Spannungsabfall erzeugt, aber den Aufladestrom begrenzt.
Oder du nimmst statt dem NCP161 einen Loadswitch mit passender elektronischer Strombegrenzung, soft start.
Wobei der NCP ja bei 700mA begrenzen soll.
Warum überhaupt den NCP, gab es den gratis, oder war es der einzige den du mit Enable bekommen konntest, eher ein Exot.
Warum überhaupt den NCP, gab es den gratis, oder war es der einzige den
du mit Enable bekommen konntest, eher ein Exot.
Der NCP hat 165 mV Dropout (typ.), >500 mA Output-Current und einen niedrigen Sleep-Current (0,01 uA typ.).
Ich fand es nicht so leicht einen geeigneten Spannungsregler mit diesen Eigenschaften zu finden.
Schaltung.png
(16 KB)
output_voltage.png
(11 KB)
